泄漏模式（精选七篇）
泄漏模式 篇1
在毒气泄漏的应急救援中, 必须快速而准确的计算出泄漏源的位置和强度。
在污染源强的反算研究中, 通过各种优化方法来优化目标函数, 以污染浓度观测数据来反向求解泄漏源强度。如Khemka等人[1]利用EM算法估计源强以及初始释放时间和源位置, 并确定各个求解参数的极大似然估计;Roberti等人[2]采用拟牛顿法来求解污染源的释放速率;Thomson等人[3]利用随机搜索算法和模拟退火算法来确定源强;而Haupt等人[4]将模拟生物进化原理的遗传算法应用到源强反算研究中。对于非线性、不可微的复杂问题, 基于梯度的优化算法将难以求解目标函数的梯度信息[5], 因而需要寻求一种直接的搜索算法来进行求解。
目前还没有将模式搜索算法结合到源强反算中的研究成果, 文中根据瞬时点源的高斯烟团模型[6,7], 通过将下风向的测量浓度与计算浓度差的平方和作为目标函数, 利用模式搜索来反算泄漏源强。并通过仿真浓度数据来验证算法的可行性, 结果表明模式搜索方法能够快速搜索到最优解。
2 模型的构建与求解
对于瞬时泄漏, 利用高斯烟团模型进行近似扩散模拟。在此基础上, 通过利用下风向的污染浓度观测和泄漏扩散模式来反演泄漏源强度, 建立污染源与污染观测之间的关系, 并利用模式搜索算法来进行污染源的调整, 从而将污染源强的反算研究归结为最优化问题的求解。
2.1 模型的构建
考虑开阔地形, 利用高斯烟团模型来近似模拟瞬时的泄漏源的扩散, 即
其中C (x, y, t) 为t时刻 (x, y) 处的浓度, (x, y) 为烟团下风向的笛卡尔坐标, Q为污染源强, t为释放经历的时长, u为风速, (σx, σy, σz) 为x、y、z方向的扩散系数。
根据泄漏源强Q和扩散模型 (1) 就能够估算出下风向的浓度分布, 所以泄漏源强Q的确定是毒气泄漏事故应急救援的基石。
假定由扩散模型 (1) 得到的第i个测量位置的计算浓度为Cicomp, 而Cimes为相应点的测量值。反问题归结为下列目标函数的最小化问题, 即
其中C ic o m p由 (1) 式得出, 即
其中xi, yi为第i个测量位置的坐标, σx, σy, σz分别为x、y、z方向的扩散系数。
从而将源强反算问题转化为 (3) 式的最优化问题的求解, 利用模式搜索算法逐步优化, 使得目标函数最小的Qopt就是所要求解的源强。
2.2 模型求解
模式搜索算法在求解过程中不需要求解梯度信息, 文中将模式搜索应用于污染源强的反向求解中。利用模式搜索算法进行源强反算的主要步骤为:
(1) 对泄漏源强Q赋初值Q0作为当前点, 初始步长δ0=1, 非负扩张因子α (<1) , 收缩因子β (<1) , 模式向量e1=1, e2= (-1) , 允许误差ε>0, k=0, 开始模式搜索过程;
(2) 计算f (Q+δke1) , f (Q+δke2) , 并与f (Q) 进行比较。当
模式探测成功, 以f (Q+δke1) , f (Q+δke2) 中较小点作为新的当前点Q, 转 (3) ;否则当
模式探测失败, 仍以Q为当前点, 转 (4) ;
(3) 增大搜索步长, 以δk:=αδ作为新的搜索步长, 转 (5) ;
(4) 减小搜索步长, 以δk:=βδ作为新的搜索步长, 转 (5) ;
(5) 当步长δk<ε, 停止迭代, 输出源强的近似最优解为Q;否则转 (2) 。
设定源强Q=10434.78g, 大气稳定度为F级, 平均风速取为2m/s, 根据 (1) 式生成不同时刻下风向任意位置 (x, y) 的测量浓度值, 利用生成的数据来验证算法的可行性。在32×32的网格内进行模拟, 间距为200m, 在初值设置为10时, 利用模式搜索算法得到的结果如图1所示。
模式搜索经过64次搜索达到近似最优值10434.779999, 与精确解的相对误差为1.1698e-010。相应的目标函数值和搜索步长变化如图2所示。
图2a显示出在每一次迭代时最佳点的目标函数值, 在早期迭代过程中目标函数值迅速改善, 而随着理想值的逼近而逐渐趋于稳定;图2b则为每次迭代时的网格尺寸 (即搜索步长) , 网格尺寸在每一次成功的迭代后增加 (为原来的两倍) , 在每一次不成功的迭代后减少 (步长减半) 。
模式搜索通过确定性的计算在每次迭代产生一个单点, 搜索的点列逼近一个优化解, 因而经过多次迭代后能够准确的求解污染源强。
3 结果分析与讨论
通过以上的分析, 利用扩散模型 (1) 产生的测量浓度数据来验证了算法的可行性。但是由于测量仪器、人工读数的误差等因素的影响, 导致实际数据的部分失真, 所以必须考虑实际数据对测量结果的影响。同时, 对于不同的初值, 考虑算法对初值的依赖性。
3.1 测量数据的影响
文中在仿真的测量数据中加入高斯白噪声来模拟测量数据的真实性。对模式搜索算法, 随着信噪比的变化, 搜索结果如图3所示。
当信噪比趋于无穷时, 即无噪情形;而当信噪比大于63时, 搜索结果都能较为接近精确解;而当信噪比小于1时, 此时噪声比信号强, 数据误差较大, 导致搜索结果也偏离真解。所以在噪声较小的情形下, 模式搜索算法仍能够搜索到最优值。
3.2 初值的影响
对于不同初值, 模式搜索逐步优化过程如图4所示。
图中分别以初值为10和100000开始进行搜索, 分别经过64和46次迭代后目标函数达到最小, 搜索到相应的最优点分别为10434.779999和10434.75, 满足精确解10434.78的精度要求。如表1所示。
从表1中可以看到, 对于不同的初值, 模式搜索能够搜索到最优值, 但是所耗费时间不一样。
4 结论
基于上述分析, 得到如下几点结论:
(1) 模式搜索算法能够在合理的时间内准确的估算出污染源强, 从而为应急救援提供更准确的浓度估计。
(2) 不同的初值, 模式搜索方法仍能搜索到最优解, 但是计算时间不同。并且模式搜索方法计算过程中只需要多次计算各个探测点的目标函数值, 而不需要求解任何目标函数梯度的信息, 适用于目标函数不可微的复杂问题的求解。
(3) 利用模式搜索算法和其他全局算法的结合将突破单一算法的局限, 这将有待进一步研究。
摘要：在毒气泄漏事故的应急处理中, 根据泄漏源强度、气象条件、以及扩散模型就能够确定下风向污染物浓度, 划定受影响范围, 因而泄漏源强度的快速确定是事故应急救援的基础。文中结合瞬时泄漏的高斯点源扩散模型和下风向浓度测量数据, 将计算浓度与测量浓度的误差平方和作为目标函数, 利用模式搜索算法来优化, 以确定源强;并通过模拟的测量浓度数据进行算法有效性验证, 结果表明算法对于污染源强的反算研究是可行的。
关键词：高斯模型,模式搜索
参考文献
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泄漏模式 篇2
关键词：液化石油气,泄漏扩散,数值模拟,泄漏孔形状,爆炸区域
0 引言
液化石油气逐渐成为人们生活中常用的气体燃料。液化石油气是一种易燃易爆的气体,当与室内的空气相混合,达到一定的浓度值时,遇到着火源,将会发生火灾爆炸等事故[1]。目前已有大量的研究人员针对燃气泄漏的扩散过程进行了较长时间的研究,如Michal等[2]提出了将仿真软件与模型相结合来分析气体扩散过程的研究方法; Young - Do Jo等[3]利用Fluent软件对燃气扩散进行模拟,并将模拟结果与FLADIS场试验结果进行对比; 张甫仁等[4]通过模拟室内的燃气泄漏扩散得出室内燃气泄漏的分布规律; 晏玉婷等[5]模拟了埋地天然气管道的泄漏,对比了压力、孔径、泄漏位置对危险区域的影响; 李朝阳等[6]模拟了埋地及架空燃气管道的泄漏,得出埋地管道的爆炸范围小于架空管道; 王树乾等[7]得出不同的压力条件下,天然气泄漏扩散过程的变化; 吴晋湘[8]针对障碍物的尺寸及泄漏源等条件对可燃气体的泄漏进行了数值模拟。本文利用CFD软件Fluent对室内有限空间内部燃气泄漏扩散过程及爆炸危险区域受泄漏孔形状的影响进行数值模拟,为室内可燃气体泄漏的安全预防及处理提供重要依据。
1 数学模型
1. 1 基本假设条件
假定本文所研究的泄漏为连续泄漏,可燃气体和空气形成混合物,混合气体呈湍流流动状态,各组分之间不发生化学反应。管内的压力恒定,气体与室内的环境之间不发生热量交换。
1. 2 控制方程
该研究中所涉及的方程有连续性方程、动量方程、本构方程和标准k - ε 组分运输方程[9]。
1) 连续性方程
2) 动量方程
3) 本构方程
4) 组分方程
5)标准k-ε方程
k方程:
ε方程
2 气体泄漏量
当时,则燃气的流动呈亚音速流动,泄漏量为:
式中: Pe为环境压力,Pa; P为燃气在管道内部的压力,Pa; Qm为燃气泄漏量,kg/s; Cd为气体的泄漏系数,长方形孔口取0. 9,三角形孔口取0. 95,圆孔口取1.0; κ 为绝热指数,取1. 29; A为泄漏孔口面积,m2; M为气体的摩尔质量,kg/mol; T为燃气的温度,K; Rg为气体常数为8 314 J/( mol·K) 。
3 物理模型
3. 1 物理模型的建立
建立如图1 所示的三维物理模型,房间长4 m,宽3m,高3. 2 m,窗户长1. 2 m,宽0. 8 m,位于房间左壁面,门长2 m,宽1 m,位于房间右壁面,内部障碍物长1. 6m,宽0. 6 m,高0. 9 m,障碍物距离房间左壁面1. 6 m,距离右壁面0. 8 m,障碍物上平面4 个点坐标为( 1. 6,0. 9,0) ,( 3. 2,0. 9,0) ,( 3. 2,0. 9,0. 6 ) ,( 1. 6,0. 9,0. 6 ) ,障碍物顶面中心为泄漏孔,为了保证泄漏面积一定,分别取当泄漏孔为圆形时半径为0. 05 m,正方形时边长为0. 088 5 m,正三角形时边长为0. 13 m。
3. 2 网格的划分
本文利用Gambit首先对泄漏孔、窗户、门和障碍物顶面4 条边进行线网格的划分,然后对整个体采取四面体网格单元,适当位置包含六面体、锥体和楔形单元( Tet /Hybird) 的划分形式,泄漏孔处对网格进行加密处理,共划分299 855个网格单元。
3. 3 边界条件的设置
将时间项设置为非稳态,选取标准k - ε 湍流模型。启动组分运输模型,选取丙烷空气混合模型,其中丙烷的组分为85% ,丁烷的组分为15% ,选取重力和全浮力影响选项。通过湍流强度公式和水力直径公式,计算出泄漏孔、窗口、门处的湍流强度和水力直径,泄漏孔为质量流量入口,窗户为速度入口,门为压力出口,墙壁及障碍物壁面设置为固壁,选用Simple算法,时间步长设置为0. 1 s。
4 模拟结果与分析
设风速为静风,环境温度为293 K,相对湿度为40% ,管道内部燃气的压力为103 325 Pa,泄漏方向为y轴的正方向,对液化石油气泄漏扩散进行数值模拟,由于液化石油气的密度大于空气,液化石油气的报警器常安装在距离地面高0. 3 m的位置,所以取平行于地面且距离地面0. 3 m的横截面,与经过泄漏孔中心与障碍物后壁面平行的横截面进行数值分析。
4. 1 孔口形状对扩散的影响
图2 由左至右依次为正方形孔口、圆形孔口、三角形孔口,泄漏5 s时,平面z = 0. 3 m的丙烷浓度分布云图和浓度等值线图,由浓度云图可以看出,泄漏出的丙烷气体逐渐向外扩散,并且丙烷的浓度分布范围从大到小依次是三角形孔口> 圆形孔口> 正方形孔口,由泄漏5 s时的丙烷浓度等值线图可以看出,浓度为0. 05 的等值线在泄漏孔分别为正方形,圆形,三角形时沿x轴方向上的距离依次为1. 08、1. 28、1. 48 m,浓度范围逐个增大。
图3 由左至右依次为正方形孔口、圆形孔口、三角形孔口,泄漏30 s时,平面y = 0. 3 m的丙烷浓度分布云图和浓度等值线图,由于液化石油气比空气重,所以泄漏后会向地面方向下沉扩散,由图可以看出,浓度为0.05 的等值线在泄漏孔分别为正方形,圆形,三角形时沿z轴方向上的距离依次为1. 5、1. 6、1. 7 m,浓度范围逐个增大,且丙烷在障碍物两侧形成堆积,不易稀释。
4. 2 孔口形状对爆炸危险区域的影响
图4 由上至下分别为正方形孔口、圆形孔口、三角形孔口,泄漏15 s时,室内的爆炸危险区域浓度云图,丙烷的爆炸下限为2. 1% ,爆炸上限为9. 5% ,所以取浓度0. 021 ~ 0. 095 的范围进行观察。由图可以看出,爆炸危险区域主要集中在障碍物附近,爆炸区域在泄漏孔分别为正方形、圆形、三角形时沿y轴方向上的距离依次为1. 9、2. 1、2. 2 m,爆炸危险区域范围逐个增大,且逐渐向地面方向延伸,在泄漏气体扩散过程中,障碍物阻碍了气体的运动路径,部分气体绕过障碍物向前运动,在障碍物的两侧堆积了大量的丙烷气体,丙烷浓度逐渐增大,障碍物的两侧危险性较高。
4. 3 泄漏孔发生旋转对扩散的影响
图5 所示为当泄漏孔为三角形时泄漏30 s的丙烷浓度分布云图,其中第一幅图泄漏孔未旋转,第二幅图泄漏孔绕障碍物顶面中心逆时针旋转30°,第三幅图旋转60°。由该图可以看出,当泄漏孔的形状不变且发生旋转时丙烷的浓度分布范围有所减小,这是因为泄漏孔的旋转相当于泄漏位置改变,当其他条件固定时,泄漏位置的改变会使燃气的扩散路径有所改变,从而使燃气的分布发生变化。
4. 4 不同位置的丙烷浓度
选取泄漏孔为圆形时,后壁面点1( 0. 8,0. 3,0) ,右壁面点2( 2. 4,0. 3,2. 5) ,左壁面点3( 0,0. 3,1. 5) ,前壁面点4( 2,0. 3,3) 四个点为研究对象,进行不同时间的丙烷浓度值比较,研究不同的安装位置丙烷浓度变化的规律。很据国家相关规范[10],在温度15 ~ 35℃ 时,报警器对液化石油气浓度的报警值一般在其体积分数为0.1% ~ 1% 的范围内。
图6 为安装点1 ~ 4 在0 ~ 30 s时间内的丙烷浓度变化曲线,由图可以看出点1 处的丙烷浓度增长幅度较大,由于点1、2 处距离泄漏口的水平位移相同,所以在前13 s,点1 和点2 处的丙烷浓度曲线近乎重合,点1 处的丙烷浓度略高于点2,由于点3 位于窗口附近,所以泄漏出的丙烷气体与空气充分混合,使该处的丙烷浓度值最小。点4 位于前壁面,距离泄漏孔较远,所以点4 处的丙烷浓度要小于点1、2 处。因此,报警器安放在点1处,可以更早的达到报警浓度。
5 结论
1) 管内压力一定,泄漏面积相同时,泄漏孔的形状对液化石油气的泄漏扩散过程有着一定的影响。泄漏时间相同,三角形孔口泄漏出的液化石油气分布范围更广,其次是圆形泄漏孔,分布范围最小的是正方形泄漏孔。
2) 爆炸危险区域也受泄漏孔形状的影响,当泄漏15 s时,爆炸区域在泄漏孔分别为三角形、圆形、正方形时沿y轴方向上的距离依次为2. 2、2. 1、1. 9 m,爆炸危险区域范围依次减小,且危险区域主要集中在障碍物附近,障碍物阻碍了气体的运动路径,部分气体绕过障碍物向前运动,在障碍物的两侧堆积了大量的丙烷气体,障碍物的两侧危险性较高。
3) 在所监测的四个点中,点1 处的丙烷浓度值增长迅速且增长幅度较大,能更快的达到报警浓度值,所以可以优先考虑与泄漏口距离较近处的后壁面安装点1处来安装报警器,以争取更多的抢救时间。
参考文献
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法兰泄漏堵漏方法 篇3
法兰的泄漏可根据介质的压力、温度、法兰连接间隙等参数确定封堵方法。
1 直接捻缝围堵法
当两法兰上的连接间隙小于1mm并且间隙量比较均匀, 介质压力又比较低, 可用直接捻缝法。所谓直接捻缝就是不用专用夹具, 而是用扁冲和手锤将法兰连接缝隙捻严, 形成密封空腔, 可通过专用螺栓助剂接头将注剂注射到密封腔内, 达到止漏的目的。
2 铜丝捻缝围堵法
此法使用于介质压力不高于2MPa、法兰连接间隙不大于5mm的场合。所谓铜丝捻缝法是用直径等于法兰间隙的铜丝, 在留有一定搭接量的情况下将其捻入缝隙中, 用扁冲将间隙捻小, 使之形成新的密封空腔, 用专用螺栓注剂接头将密封剂注入, 以达到止漏的目的。具体操作是在泄漏附近装好G形卡具, 松开附近一个螺母并拧下, 迅速装好螺栓专用注剂接头, 并紧上螺母。拆下G形卡具, 移至距泄漏点较远处, 重复上述过程, 装好第二个注剂接头, 直到装足数量为止。用两倍于法兰周长的铜丝插入法兰间隙, 且用手锤敲击, 使之完全嵌入法兰间隙内。用球形冲子将法兰连接缝隙简短地冲出塑性变形, 这些工作完成后, 即可按规定进行注射密封剂了。注射顺序如图1 (a) (b) (c) (d) 所示。
在选用和注射密封剂时, 必须注意介质温度和环境温度的影响。当环境温度为常温、介质温度又高于40℃时, 则无须加热;如果注意介质温度低于40℃时、环境温度又低于常温时, 则应对剂料枪进行加热, 以提高其流动性。
为控制注剂的用量, 避免将注剂注入到泄漏系统中, 应估算出夹具空腔的容积, 以便控制注入量。
3 钢带围堵法
在泄漏附近装G形卡具, 松开距离G形卡具最近的螺栓, 取下螺母, 装上螺栓专用注剂接头, 并重新拧紧螺母。将G形卡具移至距泄漏点最远处, 重复上述作法装上第二个注剂接头。这样重复进行, 直到注剂接头装齐为止。
用石棉盘根或金属线塞入法兰间隙内, 其长度应大于法兰外圆周长, 并有不小于50mm的搭接余量, 搭接处于泄漏点错开。选用在宽度上满足要求、长度上大于法兰圆周长度的钢带, 装上钢带夹并用紧带器拉紧, 使钢带紧紧贴在法兰外圆面上, 拧紧带夹的紧固螺钉, 切断多余部分, 余下操作同铜丝围堵法。
4 凸形法兰夹具法
凸形法兰夹具法适用范围较广 (如图2所示) , 在温度和压力都比较高的场合, 也能实施封堵。一般的操作步骤如下。
1) 夹具各注剂孔装号注剂阀, 将每个注剂阀都处于打开的位置。当安装夹具时, 使注剂孔处于两个连接螺栓之间, 并保证泄漏孔附近有注剂孔。为保证易燃易爆介质泄漏封堵施工的安全, 在操作过程中采用防爆工具。
2) 关闭距泄漏点最远的注剂阀, 在其上接好注剂系统, 可开始注剂作业, 封堵注剂顺序如图3 (a) (b) (c) (d) 所示。余下步骤同铜丝围堵法。
3) 在注剂操作时, 应按计算的夹具空腔的容积控制注剂量。注剂压力一般是系统介质压力小于10MPa时, 注剂压力不应高于10MPa;当介质压力高于10MPa时, 注剂压力取系统压力加10MPa。
5 凹形法兰夹具法
凹形法兰夹具法主要用于法兰连接间隙比较小的场合 (如图4所示) 。密封的可靠性不如凸形法兰夹具好。因为无凸台, 安装定位比较困难, 即凹槽完全对准法兰间隙是不容易的, 这种夹具的注胶与凸形法兰相同。
管道泄漏检测初探 篇4
目前输油管道泄漏检测方法主要有特质平衡法、仿真模型法、压力波法和声波辐射法等, 其中输油管道上的泄漏检测技术较为成熟的普遍采用的有两种:压差法和声波辐射法。
1 负压波法
1.1 工作原理
压差法首先在被监测管道上安装一些带测压装置仪器, 在正常输油时这些压力检测装置没有大的变化, 但当管线由于某些原因发生泄漏后, 泄漏处由于管道内外的压差, 使泄漏处的压力突降, 泄漏处周围的液体由于压差的存在向泄漏处补充, 在管道内产生负压波动, 这样负压波从泄漏点向上、下游传播, 并以指数律衰减, 逐渐归于平静, 管道两端的压力传感器接收管道的瞬变压力信息, 而判断泄漏的发生, 通过测量泄漏时产生的瞬时压力波到达上游、下游两端的时间差和管道内的压力波的传播速度计算出泄漏点的位置。
1.2 特点和优势
通过泄漏点对上下站的压力造成的影响以及压力变化到达上下站的时间进行确认位置。利用泄漏产成压力变化检测泄漏, 简单易于实施。如果和流量检测结合实施, 那么检漏和定位漏点的功能将十分准确。非常适合于原油成品油管线泄漏检测。
1.3 发展和应用
采用负压波法对管道进行泄漏检测是最早采用的检漏方法, 现在也普遍应用到了很多油田和炼化公司, 2004年天津大学又在负压波的基础上考虑进了温度因素并且首次提出“长杆法”, 这是一个很大的创新。它同时考虑的水力模型和热力模型, 改进了压力梯度定位方法时加入了温度梯度定位方法, 从而提高了定位的精度, 并且解决了停输时不能检测泄漏的难题, 很值得推广。
2 声波检漏法
2.1 工作原理
利用管道泄漏时产生的20-40 k Hz范围内的特有声音, 通过带适宜频率选择的电子装置对其进行采集, 再通过里程轮和标记系统检测并确定泄漏处的位置。具体来说, 管道运行过程中由于泄漏引起介质的物理扰动而产生的次声波, 其振幅和波长是由其在自然状态下的传送和大小决定的, 可以通过测定声波的传播时间很容易识别和定位这一短暂现象。次声波传感器接收次声波信号, 并将其转换成电信号, 然后将其放大调理成合适A/D转换的信号, 再通过模拟数字转换模块将信号转换为数字信号从而通过电脑软件进行识别确认, 发生泄漏位置的最终确定是根据传感器接收到泄漏次声波的时间差 (GPS定时) , 计算出来的。声波管道是一种先进的管道泄漏检测系统, 能在非常短的时间里发现泄漏点并报警, 误差最少只有50米。
2.2 特点和优势
利用低频声波来检测管道泄漏, 是先进的管道泄漏检测系统。不但适用液体 (原油、成品油和其他石油制品) , 还可以用于气体 (天然气、煤气及其它有毒有害气体) 。由于其具有响应频率快, 提高定位精度, 泄漏率1%、泄漏点定位重复性误差50米, 并且GPS辅助定位系统 (可选) 可提供电子地图实地制作功能, 可以帮助用户自己制作属于自己的高精度电子地图。
2.3 发展和应用
传统的声波检测是利用离散型传感器, 即沿管线按照一定间隔布置大量传感器, 这种方法成本很高。近年来随着光纤传感技术的进步, 以开发出连续性光纤传感器进行泄漏噪声检测。据有关报道, 单根光纤的检测距离可以达到60km, 这样一根光纤传感器可以代替大量的传统的传感器, 降低了成本;而且连续型传感器与过去的传统传感器相比大大提高了检测能力。
两种方法的漏点定位是使用同样的计算, 泄漏点定位公式为:
式中:
X——泄漏点距首端测压点的距离, m;
L——管道全线长, m;
a——管输介质中压力 (声) 波的传播速度, m/a;
Δt——上下游传感器接收压力波的时间差。
从中我们可以看出两种方法在确定漏点位置上来说都是比较简单的, 测漏的关键问题就在于技术上对泄漏时间的确定上, 所以对检漏装置的反应时间提出了更高的要求!
我们公司采用的中国计量科学研究院开发的Nim3管道泄漏检测系统, 原理就是第二种方法声波检漏法, 通过在克乌线、克独线、三化线、王化线四条长距离输油管线上选定一些点安装一些灵敏的次声波传感器, 而在每个起始站点和中间泵站安装接受装置, 把接收到的信号实时传道中控室, 中控室电脑通过计算测量对象的相对变化量确定泄漏点。具体分以下几步:
(1) 管道运行过程中由于泄漏引起介质的物理扰动而产生的次声波
(2) 次声波传感器接收次声波信号, 并将其转换成电信号
(3) 信号调理模块将信号放大、调理成适合A/D转换的信号
(4) 模数转换模块将信号转换成485信号
(5) 测量对象是一个相对变化量, 测量分辨率高
(6) 响应频率快, 可以提高△t的精度, 从而提高定位精度
通过提高提高响应频率, 可以提高△t的精度, 从而提高定位精度, 系统完成之后在各条管线上进行了放油实验, 从实验结果可以看出这套管线泄漏检测系统的响应速度和定位泄漏点的精度上都有很好的效果, 它必将在今后监控管线安全运行中起到重要作用。
3 展望
现代科学技术的飞速发展进步, 使管道泄漏检测技术的新方法新成果层出不穷, 特别是传感技术、计算机技术、探测技术、仪表自动化技术的融合, 使检漏技术向智能化、多样化的发展提供了广阔空间。近期业界最新的科技成果显示当今最先进的泄漏检测技术是基于模糊神经网络的人工智能型管道泄漏监测系统:HKH系统。它采用了基于模糊神经网络的人工智能系统, 从而使管道泄漏监测系统的整体性能发生了根本的转变, 使管道泄漏监测系统在小信号时也能准确识别和定位。系统对漏点的定位综合考虑了各种情况, 从根本原理上讲, 和负压力波法相似, 也是一个已知时间和速度求路程的问题, 只不过这种速度往往因各种环境和流体状况而变, 所以速度既不是平均速度也不是匀加速度运动, 而是根据具体管道特性确定的数字模型。对于事件发生时刻的认识与以往的任何一种方法都不同, 它是模糊神经网络处理后的输出结果, 其特点是比人的速度快, 比人工观察选点更精确、更及时, 它不是简单的几种模式识别能做到的, 这就是人工智能的特点, 所以, 它的定位效果是最好的。
4 结语
综上所述, 人们对泄漏检测十分重视, 并且进行了深入的研究和探索, 随着科技的发展, 将来人们还会通过自己的努力发明出更加先进的检漏系统, 为保障油气运输的安全提供更大的技术支持。
参考文献
[1]王效东, 黄坤, 朱小华, 陆姚华, 迟宏佳.油气管道泄漏检测技术发展现状[J].管道技术与设备, 2008, 01:24-26.
[2]王朝晖, 张来斌, 辛若家, 梁伟.声发射技术在管道泄漏检测中的应用[J].中国石油大学学报 (自然科学版) , 2007, 05:87-90.
容器液体泄漏过程分析 篇5
要分析容器内液体通过小孔泄漏过程必须明白元流方程，下面从功能原理着手推导出元流能量方程，为后面的分析奠定基础。
功能原理是外力对物体所做的功等于物体机械能(势能和动能)的变化。
在流场中选取一元流，如下图所示。在元流上取断面1—1和断面2—2，两断面的高程和面积分别为z1、z2和d A1、d A2。两断面的流速和压强分别为u1、u2和p1、p2。以两断面间的元流段为研究对象，在dt时间内由原来的1122位置移动到1'1'2'2'位置，断面1—1和断面2—2分别移动了u1dt和u2dt的距离。
在断面1—1所受压力p1d A1，所做正功p1d A1u1dt，断面2—2所受压力p2d A2，它与流动方向相反所做的功是负的，等于-p2d A2u2dt。元流侧面所受的压力和元流流向垂直，没有做功。而沿元流侧表面还有和流体方向相反的内摩擦阻力做了负功-d Hw，因此外力做功为:
经过dt时间后从位置1122变化到1'1'2'2'位置，在恒定流的条件下1'1'2'2'这段中的流体的能量没有发生变化，所以dt时间内流体能量的变化，也就是新位置2—2'的能量和原位置1—1'的能量两者之差值。
由于流体不可压缩，新旧的位置1—1'、2—2'所占据的体积等于d Qdt(Q为流体流量)，质量等于ρd Qdt(ρ为流体的密度)。根据物理学中的公式，动能0.5mv2，势能mgz，所以动能增值为:
势能的增值为:
按功能原理(1)=(2)+(3)，可得:
等式各项除以ρgd Qdt，并设
整理后得:
这就是不可压缩流体元流能量方程或称伯努利方程。它反映了恒定流中沿流各点位置高度z，压强p和流速u之间的变化规律。
式(4)说明元流从一个断面流到另一断面的过程中，各项能量(势能、压能、动能)在一定的条件下是可以互相转化的。但是前一个断面的单位机械能应等于后一个断面的单位总机械能与两断面之间水头损失(h'w)之和。此方程是能量守恒在流体力学中的特殊表达形式。
2 容器中液体泄漏过程分析
容器中液体泄漏情况比较复杂，为了问题的简化这里只以两种情况为例来说明。
(1)容器是个圆柱体或立方体，底面积为S1(m2)，高为H(m)，容器底部有一个小孔，面积为S2(m2)，容器中盛满密度为ρ的液体，液体在重力作用下往外泄漏。下面分析液体泄漏时的流速及液体泄漏完所用时间。不妨假设液体底面的高度为零，泄漏过程中容器内液体瞬时高度为h(m)，液体泄漏口处流速为u(m/s)，泄漏出的液体压强为零。
液体在泄漏前后高度相等(z1=z2)，泄漏过程中没有外力做功(h'w=0)，泄漏前液体的流速为零，根据元流方程(4)可得:
则:
由于液体不可压缩，容器内液体的减少量应和流出量相等，则:
将式(5)带入式(6)得:
不妨设h=x2，则:
两边积分
又T=0时h=H则带入式(7)得:
将式(5)带入式(8)并整理得液体流出时的暂态速度:
液体完全流出所用时间由式(8)中h=0或式(9)中u=0得:
例如，底面积为1平方米，高度为1米的容器，底部开一个1平方厘米的小孔，则容器中的液体完全流出所用时间理论上等于:
(2)水塔供水情况。不妨设水塔高为H1，顶部蓄水灌如上情况。水塔下接一水管，底部装一水龙头，其出水口面积为S2，设水流在水管及水龙头处不受阻力，则由式(4)可得:
将式(10)带入式(6)得:
不妨设h+H1=x2，则:
两边积分
又T=0时h=H+H1则带入式(11)得:
将式(10)带入式(12)并整理得液体流出时的暂态速度:
液体完全流出所用时间由式(12)中h=0得:
如果仍如前一种情况水漕中蓄一吨水，水塔高10米，则水流所用时间为:
如果考虑到水龙头的水流系数(一般在0.5～0.65)，取0.6则水流完所用时间为:
摘要：本文推导了元流方程,并在此基础上利用微分方程分析了容器中液体泄漏过程,给出了两种情况下液体暂态流速与液面高度、重力加速度的关系,算出了液体流完所用时间。
无水氨输送软管泄漏事故 篇6
事故简介
2009年7月15日7时左右, 沃纳公司载有19.758 t无水氨的罐车驶入塔纳公司位于南卡罗来纳州斯旺西市的储库, 该车的驾驶员和一名实习司机在办公室办理完入场手续后, 将罐车停在指定储罐的管网旁边。大约7:40, 司机停好罐车, 拾起管网旁边地面上的蒸气软管总成, 把它连接到罐车的排空线上。之后又从拖车的储存管上取下卸料软管总成, 检查完罐车罐体的压力阀之后, 就将该软管总成连到了储罐的卸料管接头上。塔纳公司的一名员工将输送软管总成的另外一端连到其储罐管网上。完成了这一系列操作后, 罐车驾驶员把动力输出装置打开, 启动了输送泵, 同时对罐车上的罐容表进行了检查, 以确保罐车内的物质可以输送到储罐中。当罐车上罐容表的读数从71%下降到64%后, 该驾驶员就让实习司机监视卸料的情况, 他则到驾驶舱里面去完成一些文字工作。实习司机始终都在对罐容表进行观察以确保卸料工作正常进行。在事发前, 他看到的最后一个读数显示罐容为53%。事后他估算当时应该已经输送了5.68 m3的无水氨。
就在8时左右, 即开始从罐车向储罐内卸料的7~8 min后, 实习司机突然听到砰的一声, 之后就是气体快速喷发声。他向罐车的底部看去, 只见输送软管总成上出现了一个裂口, 然后就有无水氨从破裂处冲出, 形成了一大团白色气雾, 他立即按下了罐车后部的紧急切断按钮。同时他还注意到有大团的氨气云向321号高速公路飘去。后来他试图去寻找储库管网的切断开关, 但由于附近的氨气云太厚, 未能找到。之后他从南门撤出, 向西跑进了一片林区, 直到听到软管停止了泄漏, 看到云雾也慢慢地消散了。
发生破裂的软管总成
发生破裂的输送软管是Durodyne股份有限公司在2005年生产的。该软管的产品序列号为DD-G-220, 专用于液化石油气的输送, 管线各层的制造材质也与液化石油气化学相容, 但与无水氨并不相容。软管的最里层材质是丁腈橡胶, 紧接着是三层包在氯丁二烯橡胶中的聚乙烯对苯二甲脂纱编织条, 最外层为氯丁橡胶。聚乙烯对苯二甲脂纱编织条的作用是加强软管的机械强度, 因此软管的强度主要是由这些编制条维持的。软管的标称内径为5 cm, 外径为7 cm, 弯曲半径为35.6 cm。规定的使用温度为-40℃~82℃。该软管已经获得美国保险商实验室 (UL, Underwriter Laboratories Inc.) 的批准, 符合UL21号标准对液化石油气软管的相关要求。该软管总成的最大许可工作压力是2 413 k Pa, 最小指定静水爆破强度为1万2 066 k Pa, 也符合UL21号标准的要求。
软管上印有文字标记。在黑色的氯丁橡胶表面的一侧, 蓝色的聚酯薄膜上除了印有Durodyne的商标外, 还有“DD-G-220仅用于液化石油气输送, 工作压力为2 413 k Pa”“为了防止造成重大伤亡或财产损失, 仅应用于预期目的”“警告:使用受损的软管会造成危险;每次使用前请检查软管及其配件”及“软管的纺织品强度符合UL21的要求”等文字。软管的另一侧也刻有“DURODYNE DD-G-220液化石油气软管Ul21发布E-7874MH29239规范DD-G-220纺织品编制条工作压力2413k Pa 4Q05使用软管前请检查”等字样 (见图1) 。
宾夕法尼亚州费城的Smart-Hose技术公司从Durodyne公司购买了液化石油气输送软管后, 在其中安装了Smart-Hose安全系统, 就制成了事发时使用的这种生命线三号液化石油气输送软管。SmartHose安全系统中包括一根贯穿软管内径的钢丝绳, 钢丝绳的两端都连着专门设计的非密封挡板阀。在软管和管箍分离、软管严重破损或过度延伸时, 该系统将会利用挡板阀的释放而立即进入密封 (如图2) 。
Smart-Hose软管总成包括一根长为6 m, 由19股直径为0.6 cm的镀锌钢丝拧成的钢丝绳, 钢丝绳的表面覆有尼龙涂层, 穿过长度为5.49 m的Durodyne液化石油气输送软管。钢丝绳的两端各与一个由316不锈钢制成的阀门挡板相连。而挡板又连接到软管两端直径为5 cm的316不锈钢内螺纹管接头上。管接头通过一个直径为5 cm的金属箍固定在软管上。这就是Smart-Hose总成的完整结构, 这种结构可以保证钢丝绳坚固地固定在软管上。
每个软管的两端还各有一个由铸铁和碳钢材料制成的外阿珂姆管箍, 通过螺纹与每个管接头相连接。这种类型的管箍由于会产生火花, 不适用于液化石油气, 但可用于无水氨的作业。
事发后对软管总成的测试和分析情况
2009年9月9日, 美国国家运输安全委员会在其华盛顿材料实验室对该软管进行了检测。软管总成的长度为5.6 m, 破损处长度为14 cm。破损处的中心线距软管总成两端的距离分别为3.3 m和2.3 m (见图3) 。
软管总成外表面的磨损程度较轻, 即使在破裂区域周围也未发现有凿痕、切痕或其他受损情况。软管外面蓝色聚酯薄膜上的黑色文字在多处都被磨掉, 但仍有几处未受损处可以看到相关文字。刻在软管上的文字都清晰可见。
通过显微镜观察结果可以看到, 事发时使用的软管总成的破损首先从软管的内壁开始, 逐渐向外扩散。经美国国家运输安全委员会材料实验室的检测, 在破裂处上确定了一个破裂源, 从该处可以看到软管开裂的进展情况比较缓慢 (见图4) 。在破裂源附近的内侧管壁上可以看到几处次生的开裂区域。但整个软管的内表面并未因无水氨的侵蚀而受损。
软管总成最内侧两层聚乙烯对苯二甲脂纱编织条的加强纤维在沿着破裂区域的破裂表面受损最严重。在破裂区域的大多数位置, 纤维都结成一团, 看起来好像被盐一样的颗粒包围住。实验室对软管分析的结果表明, 软管内壁最内侧两层的聚乙烯对苯二甲脂纱编织条纤维都已经降解, 在被拉扯或机械弯曲时很容易受损。
聚乙烯对苯二甲脂纱条不耐无水氨或氢氧化铵。曾有文献记载, 与无水氨或氨化合物接触后发生的化学反应 (胺解反应) , 会使聚乙烯对苯二甲脂纤维发生降解而失去强度。
事故软管的外层橡胶上有一排小针刺孔, 目的是让管内输送的物质通过这些小孔穿出软管的橡胶层而进入到大气中。这主要是为了防止气体留存在软管内壁而造成损坏。这种针刺孔设计是液化石油气和无水氨输送橡胶软管的标准设计。当无水氨穿过事故软管的橡胶层时, 就会在聚乙烯对苯二甲脂纱条内聚集。而且, 该软管在使用过程中有可能接触过水分 (包括受潮和雨水) 。软管吸收和溶解的水分有可能把存留的无水氨转化成了氢氧化铵, 导致聚乙烯对苯二甲脂纤维发生了化学降解。
美国国家运输安全委员会的材料实验室和另外一个独立的实验室经过检测后确认, 事故软管的聚乙烯对苯二甲脂纤维发生的化学降解使软管的强度大大降低。根据美国国家运输安全委员会得出的结论, 事故软管发生破裂的原因是:由于该软管与无水氨化学不相容, 因此发生了化学降解, 从而失去机械强度, 最终发生破裂。
调查结果
1.事故软管发生破裂是因其与罐车内的无水氨化学不相容, 发生化学降解, 失去了机械强度后导致输送软管彻底损坏。
2.由于软管的材质与无水氨化学不相容且管接头与液化石油气化学不相容, 沃纳运输服务公司的软管总成不适用于输送无水氨或液化石油气, 不应该在事发时的罐车上携带。
3.装卸作业开始前, 把对危险物和输送软管总成的化学相容性确认作为输送前协议内容的一部分, 对于降低不相容性风险非常重要。
4.沃纳运输服务公司罐车和软管检测检查记录既不完整也不准确, 说明事故软管在事发前未经检查或检测。
5.由于没有关于对输送软管总成和罐车的泄漏情况进行检测的明确要求, 因此检测记录的准确性大受影响。
事故启示
1.由于危险物的物理性质差别很大, 因此具体需要使用哪种软管取决于所输送的物质, 不能交替使用。事故软管内部纤维的组成为聚乙烯对苯二甲脂, 该物质与无水氨化学不相容, 因此含有聚乙烯对苯二甲脂纤维的输送软管不适用于无水氨的输送作业。
2.化学相容性不仅适用于软管的材质, 而且对整个软管总成 (包括管接头和管箍) 都适用。事故软管总成的管接头是铸铁和碳钢材质的, 适用于无水氨, 但不适用于液化石油气, 液化石油气的输送因为要防止出现火花, 因此需要用黄铜、青铜或不锈钢材质的管接头和管箍。
3.尽管输送软管上清晰地标明“仅限于液化石油气”, 但是在实际操作中, 无论是把软管总成连接到罐车上的沃纳公司的司机, 还是把软管总成连接到管网的塔纳员工, 都没有认识到该软管不能用于输送无水氨。这2名员工在事后承认, 在连接软管之前, 根本没有查看该软管是否适用于无水氨作业。
4.沃纳运输司机和塔纳的员工都分别接受过其各自公司标准的装卸作业操作程序。由于沃纳运输司机在塔纳公司作业时, 被要求按塔纳公司的操作程序进行作业, 因此当时使用的是塔纳公司的卸货程序。事发时, 塔纳公司的无水氨卸货程序要求对软管总成进行检查, 看其表面是否出现缺陷, 但该程序并未要求对软管是否适用于被输送的货物进行确认。由于没有具体的规定, 因此沃纳的司机和塔纳的员工都未被要求对事故软管进行检查, 以确定其是否适用于无水氨作业。
5.生产商一般都会制定操作指南以确保储罐、容器、管线和软管总成处理和运输的危险物质都是化学相容的。但是通过这起事故可以发现, 尽管大家都明白这个道理, 但却未采取适当的措施来确保按操作指南的要求来执行。输送软管总成, 不管是罐车上带的还是储罐区提供的, 都有可能是货物输送体系中的唯一组件, 最有可能发生问题, 且一旦发生问题即有可能导致最严重的后果。当用一个软管总成去输送那些其不能抗化学腐蚀的危险物时, 最终肯定会出现问题。因此, 装卸作业开始前, 将危险物和输送软管总成的化学相容性确认作为输送前协议内容的一部分, 对于降低不相容性风险非常重要。
6.为了防止罐车司机和罐区操作人员使用与输送的危险物化学不相容的软管装卸货物, 不仅要对软管总成的表面缺陷进行检查, 还要确认用该软管是否可以安全输送该化学品。可以通过软管总成表面的标志进行确认, 也可以通过软管总成的厂家提供的该软管总成可接受产品和 (或) 禁用产品书面证书中的产品列表来确认。
天然气正在泄漏中…… 篇7
“全站人员各就各位,立刻启动《燃气大量外泄应急预案》,紧急疏散站内加气车辆和无关人员,防止意外发生;我立即向上级汇报”
……
2013年6月17日上午9时许,中石油昆仑天然气利用有限公司萍乡分公司朝阳路汽车加气站内,天然气运输车辆突发事件抢险实战演练在紧张的气氛中拉开了序幕。
实战演练从停放在C N G加气站内的槽车上一个储气瓶突然发生破裂引致燃气大量外泄开始面对随时可能发生火灾及爆炸的危险,加气站各个岗位按照应急预案的流程实施着各个步驟——
当班场站运行人员迅速关闭液压撬进(出)气阀门、关闭场站电源总闸并发出警报;加气人员停止加气并启动加气机紧急切断阀,要求站内所有车辆立即熄火、原地停放,检查场站内是否还有火种。站长第一时间将事故发生及控制进展情况上报公司并立即启动燃气大量外泄应急预案。公司应急领导小组成员迅速赶赴现场组建临时抢险指挥部后勤保障组准备抢险物资。宣传报道组向相关单位汇报事故情况,请求运管、交警封堵隔离周边道路、疏导车流。
安全保卫组组织场站工作人员和司乘人员将停放在场站的车辆推拉至安全位置后再启动驶往安全地点。对发生泄漏的槽车,根据现场情况制定处置方案,实施安全监控。消防抢修组准备消防设备工具,制定灭火救援方案,做好一旦发生火灾的应急准备工作。技术保障组穿戴防护装备事故发生部位及原因进行调查,制定储气瓶天然气放散处理方案并上报事故现场指挥部安全保卫组在事故现场周围200米拉好警戒线设置隔离区域;协助公安和交通管理部门维持好治安和交通秩序,加强巡逻检查;与相邻单位联系做好人员疏散及采取简易有效的防护工作。实施储气瓶天然气放散处理方案,根据风向判断气体扩散方向、速度并通知安全保卫组组织场站外人员安全转移-储气瓶内天然气放散完毕、空气内天然气浓度符合标准后,维修人员迅速进行检测维修……
不怕一万,只怕万一。在高温炎热季节,为了应对天然气运输槽车储气瓶压力过大发生破裂的意外事故,萍乡市运管处综合分析了近期各地发生的几例恶性安全生产事故的成因、损失和影响及其在处置过程中存在的一些不足,指导中石油昆仑天然气利用有限公司萍乡分公司组织了这次演练。
